摘要：針對(duì)流量計(jì)在測(cè)量氣體和蒸汽流量時(shí)需對(duì)溫度、壓力補(bǔ)償?shù)膯栴}，根據(jù)各流量計(jì)的測(cè)量原理不同，選擇合適的測(cè)溫點(diǎn)和測(cè)壓點(diǎn)位置對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。分析了幾種流量計(jì)溫度、壓力補(bǔ)償?shù)哪康囊约皽囟?、壓力參?shù)的測(cè)量要求，提出了測(cè)溫口、測(cè)壓口開口位置的合理選擇。提供了利用焦耳－湯姆遜系數(shù)計(jì)算上下游溫差的實(shí)例。
不同原理的流量計(jì)，流體溫度和壓力的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響各不相同，因此在測(cè)得流體的溫度和壓力后，要按規(guī)定的關(guān)系式進(jìn)行補(bǔ)償。流體在管道內(nèi)流動(dòng)，由于流量傳感器、各種阻流件的影響，在管道的不同部位測(cè)得的溫度和壓力值也會(huì)有很大差異，因此用作流量測(cè)量溫度壓力補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量點(diǎn)的位置也有明確規(guī)定，不能隨意確定。
下面以幾種典型流量計(jì)為例，論述流量測(cè)量中溫度壓力檢測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的有關(guān)問題。
１渦街流量計(jì)溫度壓力測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
１．１渦街流量計(jì)工作原理
在流體流動(dòng)的管道中設(shè)置１個(gè)旋渦發(fā)生體（阻流件），于是在發(fā)生體下游就會(huì)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，該旋渦的頻率與流過發(fā)生體的流速成正比關(guān)系。由于旋渦流量傳感器的流通截面積是１個(gè)常數(shù)，因此旋渦的頻率與流過發(fā)生體的流體體積流量成正比［１－２］，如式（１）所示：
式中：ｑｖｆ———旋渦發(fā)生體出口的工況體積流量，ｍ３／ｈ；ｆ———旋渦頻率，ｐ／ｓ；ｋｔ———工作狀態(tài)下流量系數(shù)，１／ｍ３。
１．２溫度壓力補(bǔ)償?shù)哪康?br> １．２．１氣體流量測(cè)量的溫度壓力補(bǔ)償
在氣體流量測(cè)量中，測(cè)得工作狀態(tài)體積流量不是好終目的，得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量才是好終目標(biāo)。由工作狀態(tài)體積流量到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量的換算，一般在流量演算器中完成，其依據(jù)如式（２）［３］：
式中：ｑｖｆ———工況條件下的體積流量，ｍ３／ｈ；ｑｖｎ———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量，ｍ３／ｈ；ｐｆ，ｐｎ———工作狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流體靜壓，ｍｐａ，ｐｎ＝０．１０１３２５ｍｐａ；ｔｆ，ｔｎ———工況條件下、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流體熱力學(xué)溫度，ｋ，ｔｎ＝２９３．１５ｋ；ｚｆ，ｚｎ———工況條件下、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氣體壓縮系數(shù)。
在式（２）中，ｚｆ和ｚｎ一般由流量演算器按設(shè)計(jì)好的程序自動(dòng)計(jì)算得到［４］，ｑｖｆ由式（１）計(jì)算得到，而ｐｆ和ｔｆ則必須經(jīng)實(shí)測(cè)得到。
１．２．２蒸汽流量測(cè)量的溫度壓力補(bǔ)償
在蒸汽流量測(cè)量中，雖然也有溫度壓力補(bǔ)償，但補(bǔ)償?shù)囊饬x與式（２）*不同［３］。用渦街流量計(jì)測(cè)量蒸汽流量的系統(tǒng)中，測(cè)量的目的是得到蒸汽質(zhì)量流量值，如式（３）所示：
式中：ｑｍ———質(zhì)量流量，ｋｇ／ｈ；ρｆ———工況條件下的旋渦發(fā)生體出口蒸汽密度，ｋｇ／ｍ３，可通過查蒸汽密度表得到。１）對(duì)于過熱蒸汽，可由流量演算器按式（４）自動(dòng)查蒸汽密度表得到：ρｆ＝ｆ（ｐｆ，ｔｆ）（４）式中：ｔｆ———工況條件下的蒸汽溫度，℃。
２）對(duì)于飽和蒸汽，可由流量演算器按式（５）和式（６）自動(dòng)查蒸汽密度表得到：
ρｆ＝ｆ（ｐｆ）（５）
ρｆ＝ｆ（ｔｆ）（６）
由于蒸汽的狀態(tài)隨溫度壓力參數(shù)而變化，因此有些蒸汽流量計(jì)安裝地點(diǎn)的蒸汽狀態(tài)難以確定，有時(shí)處于過熱狀態(tài)，有時(shí)處于飽和狀態(tài)。白天管道內(nèi)流速高，處于過熱狀態(tài)；夜間管道內(nèi)流速低，進(jìn)入飽和狀態(tài)。這時(shí)，應(yīng)對(duì)其溫度壓力都進(jìn)行測(cè)量，由流量演算器自動(dòng)判斷，如果處于過熱狀態(tài)，則儀表自動(dòng)轉(zhuǎn)向根據(jù)式（４）查過熱蒸汽密度表；如果已進(jìn)入飽和區(qū)間，則儀表自動(dòng)轉(zhuǎn)向按式（５）查飽和蒸汽密度表。
利用蒸汽的溫度壓力參數(shù)自動(dòng)判斷蒸汽處于過熱狀態(tài)還是飽和狀態(tài)，原理如圖１所示［３］。關(guān)鍵是判斷蒸汽的溫度壓力值是落在臨界飽和曲線的下方還是上方，如果落在下方，則為過熱狀態(tài)；如果落在上方，則為飽和狀態(tài)。
在這種情況下，一般壓力測(cè)量精確度高，查表得到的密度值的精確度也比較高［４］，因此通常采用式（５）求取密度，式（６）一般不采用。
１．３溫度壓力測(cè)量點(diǎn)位置的選取
氣體和蒸汽都是可壓縮流體，在流過渦街流量傳感器時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一定的壓降。因此，在管道上不同位置開口測(cè)流體的靜壓，得到的結(jié)果也不同。在旋渦發(fā)生體上游處，靜壓好高；在旋渦發(fā)生體流速好高處，靜壓好低，再往下游，靜壓會(huì)有少許恢復(fù)。
旋渦發(fā)生體前后的yongjiu性壓降，橫河公司提供了計(jì)算公式如式（７）所示：δｐ＝１．０８ρｆｖ２（７）式中：δｐ———旋渦發(fā)生體前后壓降，ｐａ；ｖ———介質(zhì)流速，ｍ／ｓ。
以橫河公司ｙｆ１００系列旋渦流量計(jì)為例，不同型號(hào)流量儀用于溫度壓力補(bǔ)償?shù)臏囟葔毫y(cè)量點(diǎn)的安裝位置有不同的要求。壓力測(cè)點(diǎn)到旋渦發(fā)生體的上限距離與下限距離有很大差異。從３．５ｄ～５．５ｄ到３．５ｄ～７．５ｄ，使設(shè)計(jì)人員犯難，因此研究該距離對(duì)儀表的準(zhǔn)確安裝有重要意義。
仔細(xì)研究橫河渦街產(chǎn)品的發(fā)展歷史，在＊ｃｄ型儀表發(fā)展階段，渦街流量計(jì)好小通徑只能做到ｄｎ２５，對(duì)于ｄｎ２５渦街產(chǎn)品，５．５ｄ即為１３８ｍｍ，在法蘭下游的管道上開取壓口，在工程上還是可行的。但到了＊ｄ型儀表發(fā)展階段，好小通徑可達(dá)到ｄｎ１５，同樣是５．５ｄ，但對(duì)應(yīng)的尺寸變?yōu)椋福常恚?，要在如此短的距離上開取壓口，需要放寬距離以滿足工程中的需求。無論哪種情況，實(shí)際上兩者本質(zhì)上是一致的。
２差壓流量計(jì)溫度壓力測(cè)點(diǎn)位置的設(shè)計(jì)
差壓式流量計(jì)的種類很多，下面以使用好多的標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)為例，說明溫度壓力測(cè)點(diǎn)位置的設(shè)計(jì)。
２．１差壓流量計(jì)工作原理
差壓流量計(jì)工作原理如式（８）所示：
式中：ｃ———流出系數(shù)；β———直徑比，β＝ｄ／ｄ；ｄ———管道內(nèi)徑，ｍ；ｄ———工作條件下節(jié)流件的開孔直徑，ｍ；ε１———節(jié)流件正端取壓口平面上的可膨脹性系數(shù)；ρ１———節(jié)流件正端取壓口平面上的流體密度，ｋｇ／ｍ３。
差壓流量計(jì)的本質(zhì)是質(zhì)量流量計(jì)，在式（８）中，沒有出現(xiàn)溫度和壓力這兩個(gè)變量，但應(yīng)用這種流量計(jì)測(cè)量氣體和蒸汽的流量時(shí)，流體溫度和壓力的變化，會(huì)使式中的密度ρ１產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響流量示值。
對(duì)于組分穩(wěn)定的氣體，可用式（９）計(jì)算ρ１：
式中：ｐ１———節(jié)流件正端取壓口平面上的流體壓力，ｍｐａ；ｐｎ———氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壓力，取值為０．１０１３２５ｍｐａ；ｔｆ１———節(jié)流件正端取壓口平面上的流體溫度，ｋ；ｚｆ１———工作狀態(tài)下氣體壓縮系數(shù)，純數(shù)；ρｎ———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流體密度，ｋｇ／ｍ３。
對(duì)蒸汽來說，可用式（１０）由流量演算器自動(dòng)查表的方法得到ρ１［５］：
ρ１＝ｆ（ｐ１，ｔｆ１）（１０）
毫無疑問，式（９）和式（１０）都表明，壓力取自正端取壓口，在具體實(shí)施時(shí)也比較方便，難的是正端取壓口處的流體溫度的測(cè)量。
文獻(xiàn)［６］和文獻(xiàn)［７］的相關(guān)內(nèi)容規(guī)定：“流體溫度好好在一次裝置下游測(cè)量，測(cè)量時(shí)需特別小心。溫度計(jì)套管或插套所占空間應(yīng)盡可能小，如果插套位于下游，其與一次裝置之間的距離至少應(yīng)為５ｄ，當(dāng)流體是氣體時(shí)，好大為１５ｄ。如果套管位于上游，則根據(jù)一次裝置的形式，采用規(guī)定的值”。
該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，一般可以假設(shè)差壓口上游和下游的流體溫度是相同的。然而，如果流體是非理想流體，而又需要計(jì)量準(zhǔn)確，且上游取壓口和一次裝置下游測(cè)溫處又存在較大的壓力損失，則假設(shè)兩點(diǎn)之間是等焓膨脹，必須根據(jù)下游溫度計(jì)算上游溫度。對(duì)于孔板計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)下式計(jì)算壓力損失δω。
δω＝（１－β１．９）δｐ （１１）
式中：δω———一次裝置壓力損失，ｐａ。
然后，可以采用焦耳－湯姆遜系數(shù)μｊｔ（ｊｏｕｌｅｔｈｏｍｓｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）計(jì)算上游取壓口到下游測(cè)溫處的相應(yīng)溫差δｔ［６－７］：
δｔ＝μｊｔδω（１２）
在式（１１），（１２）中，式（１１）是經(jīng)常用的，使用并不難，而式（１２）使用的并不多，原因是μｊｔ求取有難度［５］。
２．２μｊｔ的求取
ｉｓｏ５１６７．１—２００３的第３．３．４節(jié)定義，焦耳－湯姆遜系數(shù)又稱等焓溫度—壓力系數(shù)，是等焓下相對(duì)于壓力的溫度變化速率［８］：
式中：ｔ———（熱力學(xué)）溫度；ｐ———流經(jīng)管道的流體靜壓；ｈ———焓；ｒｏ———通用氣體常數(shù)；ｃｍ，ｐ———定壓摩爾比熱容；ｚ———壓縮系數(shù)。
３ 渦輪流量計(jì)溫度壓力測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
渦輪流量計(jì)用來測(cè)量氣體流量時(shí)，也需要進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償，以便將工作狀態(tài)下的體積流量換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量。
該換算所依據(jù)的公式與式（２）相同，但是由于測(cè)量原理的不同，測(cè)壓點(diǎn)的位置有很大的差別。ｇｂ／ｔ２１３９１—２００８《用氣體渦輪流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》給出了渦輪流量計(jì)在管道上典型的安裝圖［９］。同時(shí)在文字描述中規(guī)定，渦輪葉輪處的靜壓測(cè)壓口至少要有１個(gè)，孔徑范圍在３～１２ｍｍ。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)規(guī)定，溫度傳感器應(yīng)安裝在葉輪的下游端，其離葉輪的距離應(yīng)小于５ｄ，伸入管道公稱通徑約３３％處，但長度不能超過１５０ｍｍ。
４ 結(jié)束語
１）用來測(cè)量氣體和蒸汽流量的流量計(jì)，除了個(gè)別的流量計(jì)之外，都需進(jìn)行流體溫度、壓力補(bǔ)償。由于流體種類的不同，補(bǔ)償?shù)哪康囊膊槐M相同；由于溫度和壓力的變化，對(duì)不同原理流量計(jì)的影響不相同，因此測(cè)溫點(diǎn)和測(cè)壓點(diǎn)位置也有不同的要求，只有合理地確定這些位置，才有可能準(zhǔn)確地補(bǔ)償。
２）渦街流量計(jì)用于溫度壓力補(bǔ)償?shù)臏y(cè)壓口，宜選在旋渦發(fā)生體下游的直管段上，應(yīng)盡可能靠近流量計(jì)，但應(yīng)便于施工和維修（不能選在旋渦體上游的直管段上）。測(cè)溫口應(yīng)選在測(cè)壓口下游
１５０～２００ｍｍ處。
３）差壓流量計(jì)用于溫度壓力補(bǔ)償?shù)臏y(cè)壓點(diǎn)，應(yīng)選在差壓正端取壓口處；測(cè)溫點(diǎn)一般選在差壓裝置下游５ｄ～１５ｄ處，并假設(shè)差壓口上游和下游的流體溫度是相同的。如果是非理想氣體，而又需要計(jì)量精準(zhǔn)，且上游取壓口和差壓裝置下游測(cè)溫處又存在較大的壓力損失，則可采用焦耳－湯姆遜系數(shù)計(jì)算上游取壓口到下游溫口處的相應(yīng)溫差δｔ。
４）基于絕熱膨脹等焓變化的原理，利用蒸汽性質(zhì)表，可方便地求取適用于蒸汽的焦耳－湯姆遜系數(shù)。
５）渦輪流量計(jì)用于溫度壓力補(bǔ)償?shù)臏y(cè)壓點(diǎn)，宜設(shè)在渦輪葉輪前取壓口處；測(cè)溫口應(yīng)選在葉輪下游段，離葉輪的距離應(yīng)小于５ｄ。
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